上软下硬地层隧道下穿建筑物矿山法施工风险控制①

王日东， 杨 潇

(同济大学地下建筑与工程系岩土及地下工程教育部重点实验室，上海 200092)

0 引言

本文以青岛地铁某区间隧道穿越密集建筑群工程为研究对象，在“上软下硬”复杂地层条件下，采用矿山法分上下台阶施工，由于其施工工法特点，对地表建筑物造成的危害较大，对施工的风险控制难度也较大.因此，对地铁隧道施工过程中的风险控制及规避显得尤为重要.同时，目前对地铁隧道风险的研究主要为盾构法施工，鲜有对矿山法施工的风险控制措施研究，而事实上在城市环境复杂条件下采用矿山法施工的风险发生几率相对于明挖法和盾构法都要高[1].本文结合青岛地区某区间隧道下穿建筑物矿山法施工的案例，介绍其具体施工风险控制措施.

1 工程概况

青岛市地铁某区间隧道下穿某河流，区间隧道上半部处于富水砂层中，砂层渗透系数为40m/d，洞身位于半砂半岩的地层中，下部处于中风化岩层中，为典型的上软下硬特殊地层，地面建筑物密集，均为6、7层楼房，且建筑年代久远，隧道开挖施工极易造成地下水流失，引起地面建筑物的不均匀沉降，给施工带来极大困难，施工风险极大.

2 区间隧道施工方法

针对该区段隧道，在初步设计阶段进行了局部明挖方案、盾构方案和全暗挖方案三种工法的比较.

明挖法对城市生活影响大，干扰交通，易产生尘土和噪音污染，应用受到限制.此工程若采用明挖法施工，需要拆除大量的地面建筑物，拆除面积约28000m2，由于拆迁难度大，费用高，且对地面交通影响较大，因此不推荐采用明挖法施工.

但是，若采用盾构法施工，盾构机的选型较困难，机械设备复杂、价格昂贵.施工过程中，机组人员的操作熟练程度以及施工经验，对隧道建设质量和施工安全会产生显著影响，机组人员的业务不精、决策失误或者操作不当，都是隧道穿越建筑物的风险源[2，3].盾构施工时，上软下硬的复合地层，易出现砂层流失，造成较大的地面沉降，引起房屋的不均匀沉降;通过中风化岩层时盾构刀具磨损较大，特别是下穿房屋需要换刀时操作困难，风险极大，因此不推荐采用盾构法施工.

矿山法同样具备暗挖法优点，不中断交通，对城市环境的影响小，且施工技术成熟，施工灵活、安全.矿山法中台阶法是将隧道断面分成上、下两个台阶开挖，上台阶开挖后，及时施做初期支护，在围岩失稳前尽快开挖下台阶，开挖完成后，迅速进行支护，形成封闭结构，如图2所示.其主要优势是施工空间大，施工操作方便，施工周期短.

通过几种常用施工方法比选，选择矿山法施工尽管风险较高，但风险可控性较好，技术成熟，因此采用矿山法分上下台阶施工[4].

图1 区间隧道下穿建筑物群地质剖面图

图2 矿山法分上下台阶施工开挖过程示意图

超前预支护采用管棚法和小导管注浆法，初期支护设计采用250mm厚的高性能防渗喷射混凝土和湿喷混凝土.

由于地面建筑物密集，若采用井点降水，降水井只能围着建筑物周围布置，不具备良好的降水条件，地面建筑物紧邻河流，地下水贯通，降水可能引起建筑物的不均匀沉降，因此不采用地面降水，本工程采用全断面注浆止水加固地层.

3 风险工程变形预测和安全性评估

区间隧道穿越的建筑物群中典型建筑代表为某银行，其为7层的砖砌体结构，没有地下室，距离地铁车站约23m，采用的是柱下条形基础，隧道拱顶与基础距离约10m.区间隧道上覆地层为素填土、粉质粘土、粗砂.由于该银行建筑具有典型代表性，因此本设计选取区间隧道下穿该银行段进行风险计算分析.

考虑到车站是一个狭长的结构，因此分析采用二维平面应变模型进行模拟，在隧道左线开挖完成后，隧道拱顶下沉5.6mm，引起地面下沉为2.6mm.隧道右线开挖完成后，隧道拱顶下沉8.2mm，引起某银行下沉为4.4mm，表明地表沉降在隧道衬砌支护及围岩共同作用下基本稳定，拱顶沉降也因为及时施做初期支护而得到了有效的控制.地表沉降最大点均在隧道中线附近.

根据沉降形成机理，沉降主要由以下三部分组成:第一部分是先期沉降，主要是由于掌子面变形发生土体损失产生;第二部分是开挖过程中，由于施工扰动导致地应力重分布引起地层沉降;第三部分是工后沉降，是之前的施工扰动土体，导致土体变形不均匀，重新固结、达到一个新的平衡[5].

因此，施工过程中需要主要控制第二部分产生的沉降，即在地应力重分布期间，迅速进行隧道初期支护施做，使得衬砌与围岩得以共同工作，提高自稳能力.而先期沉降部分，主要可以通过开挖前的土体加固措施进行控制，如超前小导管注浆等.工后沉降部分，可以通过回填注浆、增加锚杆等措施.

图3 隧道横断面上地表沉降随施工过程发展曲线

4 施工风险控制措施

超前地质探孔用于富水地段，通过对探孔中土体含水率的分析，掌握地下水的分布情况，揭示掌子面前方的地质特征及渗漏水情况，指导隧道从岩层进入砂层段的开挖，及时采取全断面注浆止水措施加固地层.

现有地勘资料显示自区间隧道拱部出现砂层开始至到达地铁车站端，砂层基本上位于隧道的上半部，基于以上典型断面数值模拟计算与风险分析结果，对该区间隧道施工提出以下风险控制措施.

4.1 断面初期支护风险控制措施

(1)超前支护:沿隧道拱部180°范围内施做Φ42，壁厚 3.25mm、环向间距 300mm，纵向间距1000mm的超前小导管，导管长 l=3.0m，外插角10°～15°，每两榀拱架打设，注浆浆液采用水泥－水玻璃双液浆.

(2)型钢拱架:采用Ⅰ20b型钢拱架，若区间隧道下穿的建筑物基础为钢筋混凝土条形基础，型钢拱架纵向间距为0.5m，若区间隧道下穿建筑物基础为块石条形基础，则型钢拱架纵向间距调整为0.35m，型钢拱架做放大脚支撑在中风化岩层上.

(3)锁脚锚管:在每榀拱架拱脚两侧，各打设8根长度为3.5m的锁脚锚管，小导管采用Φ42×4mm钢管，注浆参数同超前小导管.

(4)钢筋网:Φ8间距150mm×150mm，型钢拱架外侧单层布设.

(5)纵向拉结筋:采用Φ22纵向拉结筋，内外侧梅花型布置，单面焊接，搭接长度为10d.

(6)喷射混凝土:C25喷射混凝土，上台阶喷层厚度为250mm，下台阶喷层厚度为100mm.

4.2 软弱砂层风险控制措施

采用长台阶法施工，上台阶先行，环形开挖预留核心土，尽可能拉长爆破作业面与掌子面的距离，断面注浆加固的砂层部分采用风镐作业，分左右两个导洞错开一定距离进行开挖，上台阶剩余中风化岩石进行爆破施工，考虑到上台阶拱架成环之前，爆破振动影响极易引起拱顶软弱地层的坍塌，所以必须采取防护措施对软弱砂层进行支护.

(1)全断面注浆加固地层，保证每一开挖断面及拱部3.0m范围内砂层被加固，注浆材料采用水泥－水玻璃双液浆.注浆压力建议控制在1.0～1.5MPa，注浆工作面封堵初始注浆段采用1.0m厚喷混凝土止浆墙，后序注浆段均预留5.0m已注段作为止浆岩盘.

(2)环形开挖预留核心土，断面软土地层密排超前小导管，间距不大于100mm，作为超前管棚.

(3)开挖每一榀拱架的距离(0.5m)，拱顶将钢筋网片点焊于超前小导管上.

(4)在型钢拱架大拱脚处，设置纵向Ⅰ20b工字钢，工字钢上部与型钢拱架、下部与架立钢板均采用角焊缝焊接，纵向采用连接钢板等强度连接.

(5)为防止掌子面软弱围岩在爆破时滑移失稳，按照0.8×0.8m间距打设3m长锚杆并挂网.

(6)喷射10cm厚混凝土封闭拱顶和掌子面软弱围岩.

(7)初支背后回填注浆及时跟进，充填初支背后空隙，对局部渗漏水起到止水作用.

(8)地面袖阀管注浆加固房屋基础.

(9)鉴于含水砂层条件下，注浆措施的固结效果难以保证均匀、密实，地下水也难以被有效封堵，因此在开挖之前，应首先对掌子面布设检查孔，检查孔可采用Φ42无缝钢花管，孔口设置止水阀门，每个掌子面不小于5个，分别为拱部2个、断面中间1个、大跨处各1个，若掌子面地下水渗透系数大于10－7cm/s，应对掌子面进行补充注浆.

采取如上措施后，再施做炮眼，进行上台阶剩余石方的爆破施工，爆破作业时间不宜与喷射混凝土时间过近，待封闭掌子面的喷射混凝土凝固并达到一定强度后才能爆破.

4.3 变形控制指标

不同类型建筑结构对沉降及变形的承受能力不同，通常可取差异沉降量、最大沉降量及裂缝开展宽度等作为控制指标[6，7].该银行无地下室，基础为钢筋混凝土条形基础.根据《建筑地基基础设计规范》(GB5007－2002)，相邻柱基的沉降差应小于0.002 L(L为相邻柱基中心距离)，考虑建筑在施工过程及工后沉降过程中可能已产生了一定的沉降差，区间隧道施工过程中建筑物相邻柱基的沉降差按0.0015 L控制.另外，在施工过程中，建筑物的沉降按30mm控制.

4.4 专项监控量测

为保证周边环境和施工的安全，应进行必要的施工监测.当监测显示有不正常情况时，应立即向有关部门报告.

作为风险工程施工安全与否的判别标准如下:安全:F ＜ 0.7;黄色预警:0.7≤ F ＜ 0.85;橙色预警:0.85≤F＜1;红色预警:F＞1(F为实测值/控制值).

当安全性为“黄色预警”时，应加密监测频率，加强对地面和建筑物沉降的动态观察;当安全性为“橙色预警”时，应加强施工措施，加强观测，并召集有关部门协商解决;当安全性为“红色预警”时，应立即停工，并启动应急预案.

5 结论

本文选取了青岛地区上软下硬地层某区间隧道采用矿山法下穿既有建筑物群案例，该地铁隧道地质条件及周边环境复杂，施工风险较高.

通过有限元分析可知，在正常施工条件下，地表建筑物沉降较小，最大为4.4mm，满足对地表建筑的控制指标，同时隧道拱顶沉降也较小.结合工程具体情况，制定了具体的风险控制措施.

但是需要考虑到地下工程的复杂性，施工过程中要加强有关数据监测，及时反馈并调整注浆压力和顶进力，保证地面建筑物结构的安全.通过对该工程的风险及对应措施分析，对以后类似工程的风险分析及控制，并提供技术支持有着重要的借鉴意义.

[1]钱七虎，戎晓力.中国地下工程安全风险管理的现状、问题及相关建议[J].岩石力学与工程学报，2008，27(4):649－655.

[2]中华人民共和国建设部.地铁及地下工程建设风险管理指南[M].北京:中国建筑工业出版社，2007:4－30.

[3]ESKESEN S D，TENGBORG P，KAMPMANN J，et al.Guidelines for Tunnelling Risk Management:International Tunnelling Association，Working Group No.2[J].Tunnelling and Underground Space Technology，2004，19(3):217－237.

[4]刁志刚，李春剑.大断面隧道在上软下硬地层中施工方法研究[J].隧道建设，2007(S):433－436.

[5]Shui－ Long Shen，Huai－ Na Wu，Yu－ Jun Cui，et al.Long－term Settlement Behaviour of Metro Tunnels in the Soft Deposits of Shanghai[J].Tunnellingand Underground Space Technology，2014，(40):309－323.

[6]GUGLIELMETTI V，GRASSO P，MAHTAB A，et al.Mechanized Tunneling in Urban Areas:Design Methodology Andconstruction Control[M].London，UK:Taylor and Francis Group，2008:392－402.

[7]PICKHAVER J A.Numerical Modelling of Building Response to Tunneling[Ph.D.Thesis][D].Oxford:Balliol College，University of Oxford，2006:23－42.